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磨齿后喷丸对齿面粗糙度的影响

发布时间:2020.03.09    点击数: 14417

        新能源减速器项目中多个零件要求磨齿后喷丸,而喷丸会恶化齿面质量,甚至影响系统的NVH性能。本文研究了不同喷丸工艺条件及不同零件喷丸前后的齿面粗糙度情况,结果显示,喷丸会使齿面粗糙度增大,增大程度受零件特性、喷丸工艺参数等多种因素的综合影响;现有批产工艺条件下,喷丸后齿面粗糙度最大放大至喷丸前的3.1倍。讨论了齿面粗糙度增大对NVH性能的影响,提出了改善喷丸后粗糙度的措施。

        作为一种表面强化工艺,喷丸已经广泛应用在汽车、航空航天、石油化工、铁路船用等机械领域。喷丸工艺通过高硬度、高速运动的弹丸冲击零件表面,在表层产生残余压应力,从而达到提高齿轮齿面接触疲劳强度和(或)齿根弯曲疲劳强度的目的。对于热后磨齿加工(非全齿廓磨削)的零件,可根据不同的设计目的,在工艺流程中合理安排喷丸工序的位置。若只需要提高齿根弯曲疲劳强度,可在热处理后喷丸;若需要提高齿面接触疲劳强度,必须在磨齿后喷丸,以避免磨齿工序去除残余压应力层,但需要注意的是磨齿后喷丸会造成齿面粗糙度增大。近年来,新能源减速器项目迅速增多,其中很多零件均要求磨齿后喷丸。而新能源减速器转速高、扭矩大,磨齿后喷丸带来的粗糙度增大对NVH性能的影响更加明显。

 

在上述背景下,本文从如下3个方面展开讨论:

喷丸工艺参数对齿面粗糙度的影响;

现有批产工艺条件下,喷丸对齿面粗糙度的放大程度;

齿面粗糙度增大对NVH性能的影响及改善喷丸后粗糙度的措施。

 

喷丸工艺概述

       喷丸即无数高硬度、高速运动的小弹丸撞击零件表面的过程。弹丸高速撞击下零件表面产生凹坑,发生塑性变形,凹坑周围组织抵抗这种变形,产生残余压应力,无数凹坑重叠使零件表面形成了均匀的残余压应力层,从而提高零件的疲劳强度。根据弹丸获得高速度的方式,通常将喷丸分为压缩空气式喷丸和离心式抛丸两种,如图1所示。

       压缩空气式喷丸以压缩空气作为动力,将弹丸从喷枪喷出;离心式抛丸用电机带动叶轮高速旋转,将弹丸抛掷出去。喷丸的关键工艺参数包括饱和强度、覆盖率和喷丸介质属性(材质、尺寸、形状、硬度)。饱和强度是表征喷丸强度的参数,用弧高值(即Almen 试片喷丸后的弯曲程度)表示;覆盖率指喷丸后被凹坑覆盖面积与喷丸区域总面积的比值;常用喷丸介质有钢丝切丸、铸钢丸、陶瓷丸、玻璃丸等,其尺寸、形状、硬度均有不同的等级。变速器齿轴零件通常的工艺要求如表1所示。

   

喷丸工艺参数对齿面粗糙度的影响

 

试验零件

试验零件为某混动项目中间轴1/6档齿轮,齿轮结构见图2,磨齿后齿面组织残奥2级,表面硬度710HV30、有效硬化层深0.65mm,均在技术要求范围内。喷丸前齿面粗糙度见表3,齿形精度见表4,可见喷丸前齿面粗糙度良好,齿形曲线平顺。 

 

试验方案与试验参数

试验使用压缩空气式喷丸机,由于试验条件限制,无法验证喷丸介质属性(材质、大小、硬度)的影响,故试验中喷丸介质属性为常量,只验证饱和强度和覆盖率对喷丸后齿面粗糙度的影响,试验方案见表2。具体试验参数的确定过程如下:通过Almen试片试验绘制饱和曲线(图3),确定饱和 点,从而锁定压缩空气压力、钢丸流量、喷嘴移动速度、喷嘴距零件距离等设备参数。

 

 

试验结果

喷丸后齿面粗糙度数据见表3,齿形精度见表4。可见, 4种喷丸工艺条件下,喷丸后齿面粗糙度均增大,齿形曲线均变得凹凸。用喷后粗糙度与喷前粗糙度的比值表征粗糙度放大程度(表3),可见4种工艺条件下粗糙度放大程度不同。

 

喷丸对齿面粗糙度放大程度的批量跟踪

 

      第3节中试验结果显示,采用不同工艺喷丸后,齿面粗糙度均有不同程度的增大。为了更充分的了解喷丸对齿面粗糙度的放大程度,增大样本数,选取5个项目共5种44个零件,在批产喷丸工艺条件下跟踪喷丸前、后的粗糙度情况。跟踪零件磨齿后理化信息及喷丸工艺信息见表5。喷丸前、后齿面粗糙度及其放大程度数据如图4所示。图4数据显示,喷丸前齿面粗糙度范围为Rz1.6μm-Rz4.3μm;喷丸后,粗糙度均增大,分布范围为Rz2.3μm-Rz6.7μm;粗糙度最大可放大至喷丸前的3.1倍。 

分析讨论

 

喷丸后齿面粗糙度的影响因素

       由喷丸的原理可知,高硬度、高速运动的弹丸在零件表面留下无数凹坑,这是残余压应力的来源,同时这些凹坑势必会使表面粗糙度增大。喷丸前零件的特性以及喷丸工艺参数都会影响喷丸后的粗糙度,如表6所列。本文第3节中,4种工艺条件下,喷丸后齿面粗糙度均增大,增大程度不同。该试验中存在喷前粗糙度和工艺参数(饱和强度或覆盖率)两个变量,无法准确得出喷丸后粗糙度与各单一影响因素之间的关系。目前,很多学者对此做过研究,并且在有限元模拟基础上提出了喷丸后表面粗糙度的理论预测模型,用于预测不同喷丸工艺对应的粗糙度值。

   结合实际经验和其他学者的研究,对各因素的影响方式可作出的推测如表6所示。可见,喷丸后粗糙度受到多种因素的综合影响,同时这些因素也是影响残余压应力大小的关键因素。为了在保证残余压应力的前提下降低喷丸后的粗糙度,需要大量的工艺试验,不断优化参数组合。

 

 

齿面粗糙度增大对系统NVH性能的影响

 

       齿轮零件处于动态传动系统中,齿面粗糙程度会影响其NVH性能。文献试验结果显示,在相同载荷和转速下,表面粗糙度越大,系统的振动和噪声越大;当载荷和转速增大时,振动和噪声增大更加明显。

       近年来,新能源减速器项目迅速增多,且表现出高转速、大扭矩的发展趋势。目前我司新能源减速器中最大扭矩354N·m,最大转速16000r/min,未来会提高到20000r/min以上。在这样的使用工况下,必须考虑齿面粗糙度增大对系统NVH性能的影响。

 

喷丸后齿面粗糙度的改善措施

 

       磨齿后喷丸工艺可以提高齿轮齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度,在齿轮设计过程中,若因强度原因而必须采用此工艺,为了兼顾系统的NVH性能,可考虑从如下几个方面改善喷丸后的齿面粗糙度: 

   a.优化喷丸工艺参数,在保证残余压应力的前 提下,控制喷丸后齿面粗糙度放大程度。这需要大量的工艺试验,且工艺通用性不强。 

   b.采用复合喷丸工艺,即在正常强度喷丸完成后,再增加一道喷丸,增加的喷丸过程强度通常较小,丸料种类、尺寸可做调整,如采用陶瓷丸、玻璃丸或尺寸较小的钢丝切丸。 

    c.喷丸后增加齿面抛光、自由珩等工序。

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